DE29809650U1

DE29809650U1 - Rußfilter zur Herabsetzung der Zündtemperatur von Rußpartikeln in Verbrennungskraftmaschinen

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Publication number: DE29809650U1
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Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2008-05-30

Description

RUSSFILTER ZUR HERABSETZUNG DER ZUNDTEMPERATUR VON
RUSSPARTIKELN IN VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Rußfilter zur Herabsetzung der Zündtemperatur von Rußpartikeln bei Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Diesel-Verbrennungskraftmaschinen,
die einen besonders hohen Ausstoß von Kohlenstoffpartikeln aufweisen.

Derartige Rußfilter sind aus der DE 36 23 600 Al bekannt. In
dieser Druckschrift werden diese Rußfilter mit einer katalytisch
aktiven Beschichtung aus Alkalimetall enthaltendem Kupfervanadat beschrieben, bei denen die Zündtemperatur der Rußpartikel beträchtlich, bis zu 365°C, herabgesetzt wird. Bei
diesen bekannten Filterelementen wird die Vanadat-Beschichtung auf einen Trägerkörper gebracht. Dabei haben sich Trägerkörper aus Keramik, vorzugsweise aus Cordierit bestehende monolith!-

sehe Filterelemente mit einer Vielzahl von Kanälen mit porösen Wandungen bewährt.

Allerdings haben sich monolithische Keramikfilter in der Vergangenheit
als nicht sehr standhaft im Hinblick auf die Betriebszeit
des Filters ausgewirkt, da sie nach kurzer Zeit
durch plötzliche Überhitzung infolge thermischer Spannungen
zerbrachen. Um die Bruchfestigkeit der Keramikfilter zu erhöhen,
wurden Keramikgeflechte zu Keramik-Paketen zusammengefaßt,
um damit eine größere Elastizität und Stoßfestigkeit des Filtermaterials (Keramik) zu erreichen. Zwar wurde durch diese Maßnahme die Standzeit des Keramikmaterials erhöht, konnte jedoch nicht zu befriedigenden Standzeiten führen, die für die
sorglose Anwendung notwendig sind.

Ein entscheidender Durchbruch in der Entwicklung keramischer
Filter wurde in der WO 96/24755 beschrieben. Dieser keramische Filter besteht aus einem Garn, das wiederum aus einer Vielzahl hochfeiner Filamente besteht. Aus diesem Garn wird ein
Schlauch gestrickt, dessen Maschen von einem hochfeinen warmfesten
Draht durchzogen sind. Der warmfeste Draht verleiht dem gesamten Gestrick eine hohe Elastizität und sorgt gleichzeitig dafür, daß mechanische Erschütterungen wirkungsvoll abgefangen werden.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rußfilter
für Verbrennungskraftmaschinen bereitzustellen, der einerseits in der Lage ist, eine innere mechanische Stabilität bei hoher
mechanischer Beanspruchung zu gewährleisten und andererseits
die Zündtemperatur von Rußpartikeln in den Abgasleitungen von
Verbrennungskraftmaschinen zu erniedrigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Der erfindungsgemäße Rußfilter für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Diesel-Verbrennungskraftmaschine^ zur Herabsetzung der Zündtemperatur zum Verbrennen von Dieselrußpartikeln mit einer Mehrzahl von Keramik-Paketen, wobei die Keramik-Pakete von einem Ende her aufgerollte gestrickte Schläuche aus hochfeinen Keramikfäden sind, die von einem warmfesten Draht durchzogen sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß die gestrickten und von einem Ende her aufgerollten Keramik-Pakete, die von einem warmfesten Draht durchzogen sind, eine katalytische Beschichtung aufweisen, wobei eine bevorzugte katalytische Beschichtung ein dotiertes Kupfervanadat darstellt. Vorzugsweise ist das Kupfervanadat mit einem Alkalimetall dotiert, wobei die Dotierung zusätzlich mit einem Edelmetall versetzt werden kann.

Vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Keramik-Pakete in einem Behälter mit einem Gasein- und Gasaustrittsstutzen untergebracht, in dem die Keramik-Pakete in einem Hohlkörper auf eine bestimmte dichte zusammengedrängt sind, so daß der Filter einen nicht zu hohen Widerstand in der Abgasleitung darstellt.

Der Hohlkörper weist vorteilhaft in seinen Wandungen eine Vielzahl von Durchbrüchen auf und ist vorzugsweise an einem Ende geschlossen.

Vorteilhaft ist es, wenn der Gaseintrittsstutzen konzentrisch zum gesamten Behälter angeordnet ist, um eine gleichmäßige Gasverteilung in dem Behälter zu erzielen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die zum Stricken der Schläuche verwendeten Keramikgarne aus hochfeinen Keramik-Filamenten (6 &mgr;) gebildet, wobei das Garn einen Durchmesser von ca. 1 mm aufweist, texturiert und gezwirnt ist.

Die Maschenweite des gestrickten Keramik-Schlauchs sollte verhältnismäßig grob sein. Ein vernünftiges Maß für die Maschenweite wäre beispielsweise 4,5 mm und die Teilung ca. 5 mm.

Der warmfeste Draht, der ebenfalls von der katalytischen Beschichtung überzogen ist, besteht aus einer Vanadium-Legierung und trägt somit auch zur katalytischen Wirkung der Beschichtung bei.

Weitere vorteilhafte erfindungsgemäße Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im nun folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Behälters (3) mit dem darin befindlichen erfindungsgemäßen Hohlkörper (4) und den erfindungsgemäßen Keramik-Paketen (9);

Fig. 2 eine prinzipielle Schnittdarstellung eines Teils des Hohlkörpers (4) mit den erfindungsgemäßen verdichteten und unverdichteten Keramik-Paketen (9, 10);

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Gestrick mit dem erfindungsgemäßen Keramik-Garn (12) zusammen mit dem erfindungsgemäßen Metall-Draht (13);

Fig. 4 eine perspektivische Schnittdarstellung eines Teils des Keramik-Garns (12) mit dem erfindungsgemäßen Metalldraht (13) .

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau des Behälters 3 mit dem darin befindlichen erfindungsgemäßen Hohlkörper 4 gezeigt. Die aus der Verbrennungskraftmaschine 2 kommenden Rußpartikel treten mit dem Gas in den Gaseintrittsstutzen 5 in den Behälter 3 ein. Der Gaseintrittsstutzen 5 ist in vorteilhafter Weise konzentrisch zum Behälter 3 angeordnet, wenn dieser Behälter 3 zylindrisch ausgeführt ist. Die Stirnflächen 16 und 16' sind in der Regel flach ausgeführt, sie können jedoch auch eine konische verjüngende Übergangsform annehmen.

Der Behälter 3 wird anstelle des sonst üblichen Schalldämpfers in das Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine 2 eingesetzt. In der hier vorliegenden Ausführungsform befindet sich der Hohlkörper 4 konzentrisch zum Behälter 3 und zum Gaseintritts-

stutzen 5. Der Hohlkörper 4 besteht aus einem Zylinder, dessen Mantelfläche 7 eine Vielzahl von Durchbrüchen 8 aufweist. Die Deckflächen des Hohlkörpers 4 sind an den Enden mit einem flachen Deckel 20 und 21 verschlossen, wobei der Deckel 21 eine Öffnung für den Gaseintrittsstutzen 5 aufweist.

Das rußpartikelhaltige Abgas tritt durch den Gaseintrittsstutzen 5 in des Innere des Hohlkörpes 4 ein und wird infolge des sich aufbauenden Druckes durch das Filtermaterial gedrückt, wobei die im Abgas befindlichen Rußpartikel zu über 90% herausgefiltert werden.

Um den Differenzdruck im Inneren des Hohlkörpers 4 nicht unverhältnismäßig hoch ansteigen zu lassen, ist es daher notwendig, die Beschaffenheit des Filtermaterials entsprechend auszuwählen. Hierin liegt die eigentliche Schwierigkeit und Aufgabe der vorliegenden Erfindung, nämlich ein Filtermaterial bereitzustellen, das sowohl einen verhältnismäßig niedrigen Differenzdruck als auch eine vernünftige Filterwirkung der Rußpartikel gewährleistet.

Am linken Ende des Hohlkörpers 4 sind die erfindungsgemäßen Keramik-Pakete 9 symbolisch dargestellt. Ebenfalls symbolisiert ist der erfindungsgemäße Metalldraht 13 gezeigt, der sich durch das gesamte Gestrick hindurchzieht. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Keramik-Pakete 9 wird weiter unten im Detail erläutert. Der Hohlzylinder 4 beinhaltet eine Vielzahl dieser erfindungsgemäßen Keramik-Pakete 9, die auf eine vorgegebene Dichte mittels mechanischen Drucks verdichtet werden.

Die an den Oberflächen der Keramik-Garne 12 der Keramik-Pakte 9 ausgefilterten Rußpartikel erreichen bereits nach einer kurzen Anlaufzeit des Motors 2 die geforderte Zündtemperatur von etwa 320 bis 350⁰C, so daß ein rasches Abbrennen der Rußpartikel bereits bei niedrigen Temperaturen stattfindet, wodurch die notwenige Regeneration des Tiefenfilters bewirkt wird.

In Fig. 2 ist ausschnittsweise ein Teil des Hohlkörpers 4 in einer Schnittdarstellung wiedergegeben. Diese Darstellung verdeutlicht, wie die erfindungsgemäßen Keramik-Pakete 9 im eingebauten Zustand im Hohlkörper 4 gelagert und gehalten werden. Aus der Darstellung ist ferner ersichtlich, daß das einzelne Keramik-Paket 9, 10 aus einem von einem Ende her aufgerollten gestrickten Schlauch 22 aus einem speziellen Keramikgarn hergestellt ist. Das Keramik-Paket 10 stellt das ungepreßte, unverformte und somit nicht verdichtete Filtermaterial in seinem Urzustand dar.

Wie bereits erwähnt besteht das erfindungsgemäße Keramik-Paket 9, 10 aus einem aufgerollten länglichen Schlauch 22, der in einer bestimmten Strickart zylindrisch gestrickt ist. Das Gestrick besteht aus einer Rechts-Links-Bindung mit einer Maschenweite (a) zwischen 4,5 und 7,5 mm und einer Teilung von etwa 5, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Diese Art der Bindung und der Maschenweite hat sich bei Langzeitversuchen als die günstigste Art des Gestricks herausgestellt, da sie den geforderten notwendigen Differenzdruck im Abgassystem bei entsprechender Verdichtung gewährleistet. Hierzu trägt entscheidend der bei jeder einzelnen Masche mit durchzogene Metalldraht 13 bei, der einerseits die notwendige Elastizität des gesamten Keramik-Pakets 9 ermöglicht und andererseits ein allmähliches Verdichten des Gestricks verhindert, wodurch die lange Standzeit des Rußfilters gewährleistet wird.

Das für die Strickung des Schlauches verwendete spezielle Garn 12 besteht aus hochfeinen Keramik-Filamenten 12' mit einem mittleren Durchmesser von etwa 6 &mgr;&tgr;&eegr;, der mit der handelsüblichen Bezeichnung Hakotherm-12 00 im Handel erhältlich ist. Die chemische Zusammensetzung dieser keramischen Filamente setzt sich wie folgt zusammen:

93,5% < SiO2 4% = AI2O3

0,8% >

Dieses Keramikmaterial hat eine besonders hohe Dauertemperaturbeständigkeit, die oberhalb von 1.000⁰C liegt. Ferner ist dieses Material gegen die meisten Chemikalien resistent, mit Ausnahme von Fluß- und Phosphorsäure und starken Laugen. Diese Keramik-FiIamente sind darüber hinaus hautfreundlich und gesundheitlich unbedenklich.

Das Garn 12 setzt sich also aus einer Vielzahl von feinen Keramik- Filamenten 12' zusammen, die texturiert und gezwirnt sind, wie dies in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Neben oder im Querschnitt des Garns 12 ist der erfindungsgemäße Metalldraht 13 untergebracht, der jede einzelne Masche des Gestricks des Schlauches durchzieht. In der vorliegenden Ausführung besteht der Metalldraht aus einem V4A-Stahl, der einerseits warmfest ist und andererseits eine ausreichende federnde Wirkung aufweist.

Die nach einem bestimmten Herstellungsverfahren, das an dieser Stelle nicht näher beschrieben wird, hergestellten Keramik-Pakete aus länglichen gestrickten Schläuchen 22 befinden sich in einer sogenannten Filter-Kerze, die durch den Hohlkörper 4 gebildet wird. Die so vorgefertigten Filter-Kerzen werden erfindungsgemäß nach einem bekannten Verfahren, das in der DE 3 6 23 600 Al näher beschrieben ist, mit der katalytischen Beschichtung versehen. Im Anschluß an die Beschichtung wird die Filter-Kerze in den Behälter 3 mittig eingebaut, so daß der Gaseintrittsstutzen 5 konzentrisch mit der beschichteten Filter-Kerze angeordnet ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Rußfilter zur Minderung der Menge der austretenden Rußpartikel aus einer Diesel-Verbrennungskraftmaschine vorgestellt. Der Rußfilter besteht aus einem Behälter 3 mit einem Gasein- und Gasaustrittsstutzen 5, 6 und einem Hohlkörper 4, dessen Wandungen 7 eine Vielzahl von Durchbrüchen 8 aufweisen. Um eine gleichmäßige Gasverteilung in dem Hohlkörper zu erzielen, ist der Hohlkörper 4 an einem Ende geschlossen. Zwischen den Wandungen des Hohlkörpers

4 sind Keramik-Pakete 9 angeordnet, deren grobe Maschen von einem warmfesten Draht 13 durchzogen sind. Eine katalytische Beschichtung mit einem Kupfervanadat, das mit einem Alkalimetall dotiert ist, erniedrigt die Zündtemperatur der austretenden Rußpartikel erheblich, so.daß mit den neuartigen Keramik-Garn-Paketen und der katalytischen Beschichtung ein brauchbarer Rußfilter entsteht, der eine vernünftige Betriebszeit gewährleistet.

Claims

1. Rußfilter für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Diesel-Verbrennungskraftmaschinen, zur Herabsetzung der Zündtemperatur zur Verbrennung von Dieselrußpartikeln mit einer Mehrzahl von Keramik-Paketen (9), wobei die Keramik-Pakete (9) von einem Ende her aufgerollte gestrickte Schläuche (22) aus hochfeinen Keramikfäden (12') sind, die von einem warmfesten Draht (13) durchzogen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die gestrickten und von einem Ende her aufgerollten Keramik-Pakete (9), die von einem warmfesten Draht (13) durchzogen sind, eine katalytische Beschichtung aufweisen.

2. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die katalytische Beschichtung ein dotiertes Kupfervanadat ist.

3. Rußfilter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Kupfervanadat mit einem Alkalimetall dotiert ist.

4. Rußfilter nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Dotierung zusätzlich ein Edelmetall enthält.

5. Rußfilter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramik-Pakete (9) in einem Hohlkörper (4) untergebracht sind, dessen Wandungen (7) eine Vielzahl von Durchbrüchen (8) aufweisen und am Ende (20) geschlossen ist.

6. Rußfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Hohlkörper (4) in einem Behälter (3) mit einem Gasein- und Gasaustrittsstutzen (6, 5) untergebracht ist.

7. Rußfilter nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Gaseintrittstutzen (5) konzentrisch zum Behälter (3) angeordnet ist.

8. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die aufgerollten Keramik-Pakete (9) mit 2 kg/cm^ verdichtet sind, so daß das Keramikgewicht der Keramik-Pakete (9) auf 500 mm Länge bei einem Innendurchmesser von 3 8 mm des Hohlkörpers (4) 8 50 g beträgt.

9. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die zum Stricken verwendeten Keramikgarne (12) aus hochfeinen, zum Beispiel 6 &mgr;, Keramikfilamenten (12') gebildet sind, wobei das Garn (12) einen Durchmesser von ca. 1 mm aufweist und texturiert und gezwirnt ist.

10. Rußfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Zusammensetzung des Filtermaterials aus

- 93,5% Siliciumoxid,
-4,0% Al₂O₃,

- 0,8% Na₂O
besteht.

11. Rußfilter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der warmfeste Draht ein V4A-Stahl ist.

12. Rußfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenweite des gestrickten Schlauches

(22) ca. 4,5 mm und die Teilung ca. 5 mm beträgt.